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1、水水 利利 学学 报报 2005 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 7 期 1文章编号:0559-9350(2005)07-0772-09 水库防洪与补源优化调度及其风险分析 郑德凤，王本德(大连理工大学 土木水利学院水资源与防洪研究所，辽宁 大连 116024)摘要摘要:本文从洪水资源化与水资源可持续开发利用的角度建立水库防洪与补源优化调度的数学模型。利用流域产汇流模型计算入库洪水，并考虑短期降雨预报信息，将交互式生成技术与动态规划模型相结合来优化水库的调度方案，给出考虑洪水预报和降雨预报误差的水库防洪与补源优化调度风险率的定义与计算方法。将此模型和风险分析方法应用于
2、大连市碧流河水库的防洪与补源联合优化调度中，对其风险值和补源效益进行了分析与计算。结果表明与常规调度相比，引洪补源优化调度能提高洪水资源利用率，补源效益十分显著。关键词关键词:防洪；补源；动态规划；优化调度；风险率；效益分析 中图分类号中图分类号:TV697 文献标识码文献标识码:A 利用水库汛期不能拦蓄的多余洪水回灌补给地下水是充分利用洪水资源的一种良好方式，是解决目前地下水过量开采的有效措施之一。回灌补源时，洪水需占用水库部分库容经滞蓄后以小流量下泄，才能大部分渗入地下，这就给以往按防洪与兴利设计的水库增加了一项补源调节任务1。这在一定程度上减少了水库的防洪库容，当预报出现失误时可能为水库
3、的防洪安全带来了一定的风险。在洪水调度过程中，既要充分利用洪水资源，又不能降低水库及下游河道的原防洪标准，这就需要进行水库防洪、补源联合优化调度和风险分析。传统的水库洪水优化调度模型多以发电量最大、调洪库容最小或下泄量最大值最小为目标函数求解水库满意的最优运行策略。这种优化调度模式遵循传统规划设计的调度指导思想，没有充分利用现代科技手段，忽略水库时刻面临的水雨情信息和降雨洪水预报信息，偏重于防洪安全，不利于洪水资源利用。目前我国一些大型的多年调节水库已安装了现代化的防洪调度决策支持系统，包括可靠的雨水情自动测报子系统、一定预报精度的气象产品应用子系统、较高预报精度的洪水预报子系统、决策人可参与
4、的洪水调度会商子系统，以及通畅的上下级通信子系统。因此从充分利用水库汛期弃水增加洪水资源利用率的角度出发，应对水库实施防洪与补源优化调度。即根据流域产汇流模型计算入库洪水，判断洪水等级，考虑短期降雨预报信息，将交互式生成技术与动态规划模型相结合，优化控制水库的泄流方案。并对其带来的风险和效益进行分析与计算，其结果对指导水库的实时调度有重要的参考价值。1 水库防洪与补源优化调度模型建立及求解 1.1 防洪与补源优化调度模型建立 1.1.1 洪水预报模型与参数优选 1.1 防洪与补源优化调度模型建立 1.1.1 洪水预报模型与参数优选 碧流河水库流域与大伙房水库主干浑河流域的水文气象特征(如降雨、
5、蒸发、径流)、流域形状、下垫面状况等都很近似，所以碧流河水库洪水预报方案选用大伙房流域模型2。模型 收稿日期:2004-08-28 基金项目:水利部重大科技资助项目(水规划2002341号)作者简介:郑德凤(1970-)，女，黑龙江伊春人，博士，讲师，主要从事水文水资源及水库联合优化调度研究。E-mail: 水水 利利 学学 报报 2005 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 7 期 2 由两部分组成，一是引用双层入渗曲线进行扣损计算的8个参数超渗产流模型；二是9个参数变强度、变速度的经验单位线汇流模型。产流模型将下垫面分为表层、下层和深层三部分。产汇流模型参数调试过程中
6、主要涉及到以下几个参数:g、K2、A、B、S0、U0、D0、Kc、K、K0、n、KK、B0、AA、CC、DD和COE。其中产流参数S0、U0用久旱后暴雨的洪水资料的初损和最大缺水量确定，g据流域内调查的不透水面积推求，其他参数需优选确定。为此本文选用19842000年的12场洪峰流量大于1000m3/s的洪水资料对参数进行调试优选。首先在物理意义范围内初设上下限域值，应用增量动态规划法和非线性规划法寻优。优选的产流参数以合格率最高为目标，汇流参数以峰值与峰现时间合格率最高为目标，以人机交互方式进行调试。最后选定的模型参数列于表1和表2。方案预报洪峰的模拟精度为77.5%，预报洪峰的峰现时间合格
7、率为83.3%，预报径流深的模拟精度为85.3%，合格率为91.7%，达到乙级方案以上水平。表 1 调 试 的 产 流 计 算 参 数 成 果 表 1 调 试 的 产 流 计 算 参 数 成 果 参数符号 K2 A B SO UO DO KC g 数值 0.6 2.4 1.6 25 100 110 1 0.05 流域蒸散发能力 6月(E6)7月(E7)8月(E8)9月(E9)域值/(mm/d)3.5 3.5 3.0 2.5 表 2 调 试 的 汇 流 计 算 参 数 成 果 表 2 调 试 的 汇 流 计 算 参 数 成 果 参数符号 BO KO K n 基本参数 数值 1.2 0.5 0.9
8、 3.2 径流分类 地面壤中流 地下径流 降雨分布 上游 中游 下游 上、中、下游 KK 973 576 488 3207 AA 0.73 1.05 1.92 1.41 CC 1.2 1.2 1.2 2 DD 1.2 1.2 1.2 2 汇流线型参数 参数符号 COE 0.3 0.25 0.17 0.24 1.1.2 优化调度数学模型 1.1.2 优化调度数学模型 库防洪与补源优化运行的目标函数同时考虑引洪补源所带来的正效益以及调度中可能出现的上游回水淹没和下游滩地局部受淹带来的负效益，具体表达为)(max1=nttrtLbWB(1)式中:n为整个计算时段所分的阶段数；为地下水补给系数；Wrt
9、为第t时段水库弃水的引渗补源量(m3)；b为单方水补源效益(元/m3)；Lt为t时段上、下游淹没损失的负效益(元)，Lt=L(qt)t,其中L(qt)为淹没损失函数，可根据实际调查资料拟合求得，qt为水库第t时段的下泄流量(m3/s)。水水 利利 学学 报报 2005 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 7 期 3 第t时段引渗补源量的计算分两种情况:当时段泄流量qtQb时全部入渗，Wrt=qtt；当qtQb时，部分水泄弃出境，Wrt=maxLS（qt）t。其中Qb为引水补源边界流量，定义为引水量可完全沿河槽入渗补给地下水而不出境时相应的流水量1,3，可根据多年实地观测而
10、定；t为第t时段的时间间隔(s)；max为单位面积单位时间稳定入渗量(m3/cm2s)；L为引水河槽长(m)；S(qt)是与水库下泄流量qt相应的补源段河槽断面平均水面宽度(m)，由于实际河槽断面不规则，按多断面实测数据拟合后求得。以时序t作为阶段变量，将整个汛期按t分成n个阶段，按顺序编号(t=1，2，n)。在已知各时段入库径流量的情况下，以水库蓄水量Vt为状态变量，VtVmin,Vmax；以水库的下泄流量qt为决策变量，qt0,Qmax(Ht)。则其状态转移方程、阶段效益函数与顺时序递推方程分别为 Vt=Vt-1+(Qt-qt)t-Et(2)Sum(Vt,qt)=Wrtb-Lt(3)B*(
11、Vt)=maxSum(Vt,qt)+B*(Vt-1)；B*(V1)=Sum(V1,q1)t=2,3，,n(4)式中:Vt-1、Vt为t时段初、末水库蓄水量(m3)；Vmax、Vmin为水库防洪、补源调节蓄水上、下限(m3)，前者取水库防洪高水位对应的库容值，后者取汛期限制水位对应的库容值，考虑水库汛末蓄满按时段选用不同值；Qmax(Ht)为泄流建筑物最大泄洪能力(m3/s)；Qt、Et分别为第t时段水库入库流量(m3/s)、水库水面蒸发和渗漏量(m3)；B*(Vt-1)表示水库从第1时段开始，运行到第t-1时段状态为Vt-1所能获得的最大运行效益(元)。1.1.3 约束条件1.1.3 约束条件
12、(1)水库汛期蓄水约束。水库调蓄能力不能超出原规划设计的能力，即VminVtVmax。(2)最大泄流能力约束。水库的泄流量不能大于泄流建筑物的最大泄洪能力，即qtQmax(Ht)。(3)下游防洪约束。受下游防洪任务限制，水库下泄流量qt加上区间流量QLt不得大于下游河道安全泄量Qs，即qt+QLtQs。(4)近期预报无雨或小雨时的补源约束，即qtQb。1.2 防洪与补源优化调度模型求解 1.2 防洪与补源优化调度模型求解 针对不同的洪水等级和洪水所处的不同阶段，水库防洪与补源优化调度模型的求解过程不同。为此本文提出一种新的动态规划方法对水库防洪与补源优化调度模型进行求解，这种方法在确定决策空间
13、时，考虑洪水预报和降雨预报信息，采用交互式生成技术，动态控制决策变量的取值范围。首先确定水库防洪与补源优化调度的时间域为整个汛期，将汛期内的各场次洪水按时间的先后顺序划分成若干个时段。从第1个时段开始，用动态规划方法求解水库的最优泄流方案。由于在每个阶段，需要按实时时段降雨量进行洪水预报，再根据当前水库蓄水情况，并考虑短期气象预报，由调度人员和决策者确定洪水的防洪与补源运行模式，所以模型设计了两个交叉显示的窗口(图1)。一个是洪水信息和降雨预报提示窗口，它显示前两个时段的入库流量、水位、下泄流量和当前时段的入库流量、水位信息，以及预报的未来时段入库流量。并导入气象预报系统未来 24h、48h、
14、72h的降雨预报信息。目的在于动态提示水库洪水所处的阶段(涨水期、退水期)，预报的洪水等级和未来阶段的降雨情况，便于决策者和调度人员了解水库水位的升降，入流的变化及前几时段优化的泄流量情况，未来的降雨预报信息，为确定当前时段水库的泄流量提供依据。水水 利利 学学 报报 2005 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 7 期 4 图1 交互式窗口显示 第二个是水库运行策略和泄流量输入窗口，调度人员通过前一窗口所提示的综合信息，首先确定对次洪水应采用防洪调度还是补源调节。若当前时段预报洪水等级小于上下游防洪标准，且洪水已处于退水时期，未来2472h降雨预报信息均为中雨以下量级，
15、则运行策略是以补源为主，控制下泄流量小于等于补源边界流量，以取得最大的补源效益。若洪水处于涨洪时期，预报洪水等级超过上下游防洪标准或气象预报未来24h有中雨及中雨以上量级的降雨，下次洪水即将来临，则模型将重点考虑防洪要求，运行策略将采用常规调度方式或防洪预报调度方式，加大泄流量，尽快腾出库容拦蓄新的洪水。因此在窗口中不仅显示当前时段由调度规则制约的水库最大泄流量、泄流设备的最大泄流能力，还要在满足所有约束的前提下，确定当前时段的泄流量范围。然后在此范围内制定mt个当前时段水图库的泄流量。利用式(3)、式(4)计算各泄流量相应的阶段效益和总效益。总效益的最大值所对应的泄流量即为当前时段的最优泄流
16、量，重新返回洪水信息和降雨预报提示窗口，进行下一时段的计算。此时新的实时降雨资料及气象预报又已做出，于是根据新的资料及前几个阶段调度实施后水库及河道的实际状态，再进行洪水预报，选择泄流方式，再行求解。如此逐段递推，形成一个“预报决策实施修正”的连续决策过程。当n个时段的下泄流量全部给出后，由这些下泄流量构成的决策向量就是水库防洪与补源优化调度模型的最优解。2 水库防洪与补源优化调度的风险分析 风险是由于系统的不确定性因素引起的。在水库防洪与补源优化调度过程中，需要充分利用气象部门的预报产品、水库已建的气象云图分析系统、水雨情遥测系统、洪水预报调度系统等，在确定某一阶段的运行策略时，还需要决策者
17、和调度人员的经验和知识，这些都伴随着一定的不确定性，如洪水预报、降雨预报的不确定性；优化调度模型与参数选择的不确定性；决策过程的不确定性等。正是这些不确定性因素的存在，使得水库调度系统不可避免地存在一定的风险。如何对其风险进行分析，是水库实施防洪与补源优化调度的关键。2.1 考虑洪水预报和降雨预报的水库实时调度风险率的定义 2.1 考虑洪水预报和降雨预报的水库实时调度风险率的定义 风险泛指在特定的时空环境条件下所发生的非期望事件及其发生的概率并由此产生的损失程度4。它包含3个基本要素:不利事件、不利事件发生的概率和不利事件所导致的损失5。风险分析就是在充分利用各种资料信息和技术手段，考虑系统未
18、来运行中所有可能出现的事故，对风险的3个要素做出全面和定量的描述。对水库调度系统来说，其风险分析主要是对水库发生超标准洪水的可能性或概率即风险率进行描述。为此本文首先给出水库调度运用中设计风险率的定义。设计风险率是指水库在调度运用中，针对某一特定的风险控制指标ZA(如某一特征水位)，在确保下游和大坝防洪安全的前提下，按规划设计的调洪方式及规则，自汛期限制水位ZL起调不同频率Pj的洪水，频率为Pk的洪 水水 利利 学学 报报 2005 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 7 期 5 水调洪最高水位Zm(ZL，Pk)恰好与特定的风险控制指标ZA相等，则频率Pk称为水库运行的设
19、计风险率。其数学表达式为 Pf0=PkZm(ZL,Pk)=ZA(5)对不同的风险控制指标ZA计算的设计风险率亦不同。对水库本身安全而言，ZA取水库允许最高蓄水位(如校核洪水位)，计算的风险率为大坝防洪安全风险率。对上、下游防洪安全来说，ZA取淹没高程或防洪高水位，计算的风险率为上、下游防洪安全风险率。对于已建水库而言，其防洪能力是已知的，但水库来水是不确定的，这种不确定性给水库带来的风险就是水库的规划设计风险率。同时在实施水库防洪与补源优化调度过程中，因考虑洪水预报和降雨预报信息，这些预报本身存在一定的误差，从而为水库大坝枢纽和下游安全又增添了附加风险率。附加风险率分两部分，一是由洪水预报误差
20、引起的附加风险率PfR；二是由降雨预报误差引起的附加风险率PfP。在水库实时调度过程中，洪水预报误差和降雨预报误差两个事件不相互排斥，可能同时发生，也可能独立发生，为相容事件，可采用选择概率来进行综合风险分析6。则总风险率为 Pf=Pf0+(PfR+PfP-PfRPfP)(6)2.2 风险率的计算方法 2.2 风险率的计算方法 根据风险率的定义可采取随机模拟蒙特卡罗法或常规的频率分析法来计算7。随机模拟蒙特卡罗法受资料限制，通常直接依据流域实测洪水资料，选择季节性一阶自回归模型，先模拟出序列的洪水总量，然后随机抽取实测样本中一个典型洪水过程，对其总量进行分配得到模拟的洪水过程，再以规划的调度原
21、则、方式及规则调洪求出最高洪水位Zm，最后比较Zm是否大于ZA。风险率的计算公式为 Pf=(m/N)100%(7)式中:N为随机模拟抽样总次数；m是调洪求出最高洪水位ZmZA的次数。频率分析法首先通过频率分析求出不同频率Pj,j=1,2,n的设计洪水过程；然后从汛限水位 ZL起调，按常规的调度原则、方式及规则调洪计算出n个最高库水位Zmj,j=1,2,n；最后点绘(ZmjPj)经验频率曲线；依据此经验频率曲线可由ZA值反查出相应的频率Pf,即风险率。2.3 考虑洪水预报的风险率计算 2.3 考虑洪水预报的风险率计算 考核洪水预报主要有3个指标:洪量、洪峰与峰现时间。对洪水调节能力强的水库，主要
22、是洪量对水库洪水调度起控制作用，因此洪水预报精度主要取决于洪量(径流深)的精度。经模拟预报分析碧流河水库径流深绝对误差概率服从P-分布。根据其概率密度函数即可计算任一误差所发生的概率。防洪调度决策人员通常对一些特殊概率所对应的预报误差更关心，通常正误差(预报结果偏大)会增加下游防洪风险，负误差(预报结果偏小)会增加水库本身的防洪风险。本文主要研究负误差(漏报误差)对水库防洪安全所增加的风险。对于某一设计频率洪水来说，它可能遭遇各种频率的径流预报误差，因此只能以期望风险率来综合体现水库的防洪风险。已知某一设计频率的洪水过程，用各种频率的径流总量预报误差修正原设计频率的洪水径流深，得到考虑不同频率
23、径流深误差的设计频率洪水径流深及其过程线。再利用规划设计的调度规则或预报调度规则，由汛限水位起调上述的各种误差修正的设计频率洪水过程线，求出不同的调洪最高水位，其中各调洪最高水位所对应的风险频率的期望值，就是考虑径流总量预报误差的水库调度期望风险率，即pf0+PfR的值。2.4 考虑降雨预报的风险率计算 2.4 考虑降雨预报的风险率计算 目前我国气象部门的降雨定量预报虽有误差，但分级预报信息已达到可利用程度，其中小雨以下量级预报可用于实时调度中。由此对降雨预报应用于防洪、补源优化调度中的风险分析，主要研究“无雨预报”和“小雨预报”发生漏报时的风险率。水水 利利 学学 报报 2005 年 7 月
24、 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 7 期 6 在水库实施防洪与补源优化调度的过程中，考虑“无雨预报”(或“小雨预报”)确定运行策略时，若发生漏报，可能遭遇各种频率的漏报降雨量X(Pi)，依据漏报的实际降雨频率分布，假定流域下垫面处于饱和状态，漏报的实际降雨频率分布等于漏报的实际入库径流深频率分布；且无雨(或小雨)预报的漏报降雨多属局部地区强对流阵雨，按集中于一个时段处理。首先将其漏报信息X(Pi)输入到洪水预报、调度系统中，按照原设计调洪规则，由汛限水位ZL起调不同漏报降雨量所形成的洪水过程，求出相应的最高洪水位值Zm(ZL，X(Pi)。绘制调洪最高水位漏报误差频率曲线(Zm(Z
25、L，X(Pi)Pi)，则根据水库的校核洪水位或防洪高水位ZA，即可查求出相应漏报误差的频率PZ，这就是考虑降雨预报误差所致的附加风险率PfP。最后将Pf0+PfR和PfP代入式(6)即可得到水库防洪、补源优化调度的总风险率Pf。尽管水库实施优化调度后的总风险率可能大于规划设计的上、下游防洪安全风险率，但只要其调洪最高水位不高于上游淹没高程和下游防洪高水位，就不增加额外的风险损失，则其风险在可承受范围内，并可利用一些弥补措施预防稀遇洪水事件，在此条件下，水库即可实施防洪与补源联合优化调度。3 碧流河水库防洪与补源优化调度研究 3.1 碧流河水库及下游补源区基本情况 3.1 碧流河水库及下游补源区
26、基本情况 碧流河水库位于辽宁省普兰店市双塔镇与庄河市荷花山镇分界的碧流河干流上，坝址距入海口55km。水库控制流域面积2085km2，有茧场等3个水文站，多年平均降水量780mm，水库坝址以上多年平均径流量661.62106m3，是一座以城市供水、防洪为主，兼有水力发电、农业灌溉、养鱼等综合利用的多年调节大()型水利枢纽工程。水库主坝由堆石坝、混凝土重力坝、沥青混凝土心墙土坝三种坝型组成，总库容934106m3。水库通讯设施良好，已安装水雨情遥测系统和洪水预报调度系统。在碧流河河谷区有建设河谷型地下水库的条件，即有充足的补给水源、较大的地下储水空间和良好的入渗条件。河谷型地下水库就是充分利用两
27、山夹一谷的河流河谷区第四系松散堆积物孔隙含水层的空间，采取一定的工程引渗措施，将自然排泄入海的洪水、河水和水库弃水引渗到地下转化为地下水储存利用。碧流河水库在弃水年份平均每年约有236.73106m3的洪水被弃掉汇流入海，若能将这部分泄弃洪水引蓄到地面以下一定深度内以备将来之用，使水库防洪与补源有机结合起来，将能大大提高洪水资源回灌补给地下水量，是实现洪水资源化的重要途径之一。碧流河水库坝顶高程74.3m，按五百年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核。规划设计的各特征水位及相应库容见表3。汛期最小库容6月1日8月20日取Vmin=664.86106m3，8月21日至 9月10日取Vmin=686.7
28、0106m3。水库泄流建筑物混凝土重力坝的最大泄流量Qmax(Ht)=9152m3/s,输水洞的最大泄量53m3/s，放水孔最大泄量382m3/s。水库上游防洪目标是回水淹没区的居民房屋与农田，房屋淹没标准是库水位不超过70.2m，耕地淹没标准是库水位不超过69.8m，相应库容为760.72106m3。因此当水库库容超过760.72106m3时开始计算回水淹没所带来的负效益。水库下游防洪目标是下游两岸3333.3hm2农田和城子坦镇、丹普公路桥、城庄铁路桥、黄海大道。水库下游河堤防洪标准为10年一遇，相应控制水库下泄流量不超过1500m3/s，即qmax10%=1500m3/s。以此作为第一安
29、全泄量，超过它时开始计算下游淹没农田带来的负效益。当水库遭遇20年一遇洪水保证下游农田和城子坦镇的安全，小宋家屯站(控制点)洪水组合流量不超过3400m3/s，扣除区间来水，水库安全泄量为qmax5%=2500m3/s，以此作为约束条件中Qs的取值。对20年一遇洪水进行调节计算，保证下泄流量小于Qs值，求得相应防洪高水位为70.2m，选其相应库容作为约束条件中的库容最大值，即Vmax=784.40106m3。当水库遭遇50年一遇洪水时，保证丹普公路桥、城庄铁路桥、黄海大道的安全，小宋家屯站洪水组合流量不超过5500m3s，水库最大泄量为qmax2%=4500m3/s。根据多年的实地观测和现场试
30、验可知，水库下泄流量小于50m3/s时，基本全部下渗而不出境，故取Qb=50m3/s。水水 利利 学学 报报 2005 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 7 期 7 表 3 碧 流 河 水 库 各 特 征 水 位 及 相 应 库 容 表 3 碧 流 河 水 库 各 特 征 水 位 及 相 应 库 容 主汛期 限制水位 汛末期 限制水位 正常高水位10%防洪高水位5%防洪高水位 设计水位 校核水位水位/m 68.10 68.50 69.00 69.80 70.20 71.00 72.60 库容106/m3 664.86 686.70 714.00 760.72 784.4
31、0 832.40 934.00 3.2 碧流河水库防洪与补源优化调度结果分析 3.2 碧流河水库防洪与补源优化调度结果分析 以碧流河水库1995年汛期(6.19.10)为计算时间域，将汛期内的2场洪水按时间顺序划分成61个时段，在每个时段，先利用流域产汇流模型计算入库洪水，预报洪水等级，再综合考虑未来24h降雨预报信息，采用交互式技术与动态规划模型相结合，优化控制水库的泄流方案，对水库的防洪与补源进行优化调度。结果见表4，其中补源水量的计算为水库总放水量扣除放水期间河道水面蒸发量，放水流量超过补源边界流量时的出境水量。表 4 碧 流 河 水 库 防 洪 与 补 源 优 化 调 度 结 果 分
32、析表 4 碧 流 河 水 库 防 洪 与 补 源 优 化 调 度 结 果 分 析 常规调度方式 优化调度方式 时间 降雨总量/mm 入库总量06/m3 调洪最高水位/m 总补源量 106/m3 调洪最高水位/m 总补源量 106/m3 两种调度方式补源量差值106/m3 1995年第1场洪水(8.6.02:008.10.08:00)95.26 161.43 68.10 17.19 69.67 104.86 87.67 1995年第2场洪水(8.17.02:008.20.05:00)60.30 102.64 68.10 12.96 69.42 86.14 73.18 两场洪水总量 155.56
33、264.07 68.10 30.15 69.67 191.00 160.85 从表4数据可知，利用防洪与补源优化调度方式调洪的引渗补源量比常规水库调度方式的补源量大160.85106m3。调洪最高水位为69.67m，小于回水淹没允许高程；且最大泄流量为706m3s，远小于下游河堤防洪标准，所以这种优化调度方式不增加淹没损失，却能大大增加补源水量。若补源效益参数取1.5元/m3，地下水补给系数取0.8，则1995年整个汛期通过引洪补源优化调度所增加的经济效益为193.02106元。此外补源还有防止地下水位下降、地面沉降塌陷，改善地下水质、减少饮用水处理费用，改善生态环境，减少原有机井设施报废等显
34、著的社会与环境效益。但在引洪补源过程中，由于水库泄弃洪水入海量的减少，也会引起河道及河口淤积、海岸蚀退、河口海域生物衰减等一系列的河口生态问题，本文对此不作定量计算，将另文著述。1995年汛期的两场洪水频率分别为58%和69%，若将其它频率的中小洪水过程采用补源优化调度，假定洪水在退水阶段，未来24h降雨预报信息为无雨或小雨量级，水库控制下泄流量小于等于补源边界流量50m3/s，所增加的补源水量和相应的经济效益见表5，年期望效益为48.13106元。水水 利利 学学 报报 2005 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 7 期 8 表 5 碧 流 河 水 库 不 同 频 率
35、 洪 水 与 引 洪 补 源 效 益 关 系表 5 碧 流 河 水 库 不 同 频 率 洪 水 与 引 洪 补 源 效 益 关 系 常规调度方式 优化调度方式 频率 P(%)入库总量 106/m3 调洪最高水位/m 总补源量106/m3 调洪最高水位/m 总补源量106m3 增加的补源水量 W106/m3增加经济效益106/元 年期望效益B106/元10 502.93 69.26 110.11 70.00 153.23 43.12 51.74 15 435.92 68.90 89.64 70.01 154.20 64.56 77.46 20 386.91 68.53 69.41 69.99 1
36、52.36 82.95 99.54 30 311.36 68.30 56.66 70.01 153.41 96.75 116.1 50 214.90 68.10 44.92 70.00 152.48 107.56 129.08 48.13 根据水库调度运用设计风险率的定义，结合碧流河水库不同频率洪水资料，选定不同的风险控制指标，可计算出相应的设计风险率。现以10年一遇的洪水过程为例来计算水库引洪补源的总风险率。首先用各种频率的径流总量预报误差修正此设计频率的洪水径流深，得到考虑不同频率径流深误差的设计洪水径流深及其过程线。再利用规划设计的调度方式及规则，由68.1m起调上述的各种误差修正后的设
37、计洪水过程线，求出不同的调洪最高水位，各调洪最高水位所对应的风险频率的期望值用式(8)计算，结果见表6。表 6 碧 流 河 水 库 各 频 率 设 计 洪 水 考 虑 径 流 总 量 预 报 误 差 的 水 库 调 度 风 险 率 计 算 表 6 碧 流 河 水 库 各 频 率 设 计 洪 水 考 虑 径 流 总 量 预 报 误 差 的 水 库 调 度 风 险 率 计 算 误差频率P(%)0.01 0.2 1 2 5 10 预报准确径流总量预报的漏报误差绝对值RP%/mm 43.6 31.4 24.7 21.7 17.7 14.5 0 误差修正后洪水径流深R+RP%/mm 234.5 222.
38、3 215.6 212.6 208.6 205.4 190.9 调洪最高水位Zm/m 70.20 70.13 70.05 70.01 69.93 69.87 69.80 风险频率(%)18.5 17.0 15.5 14.5 13.0 11.5 10.0 设计洪水频率10%期望风险率(%)11.0 风险损失L106/元 0 误差修正后洪水径流深 R+RP%/mm 208.3 196.1 189.4 186.4 182.4 179.2 164.7 调洪最高水位 Zm/m 69.85 69.67 69.54 69.48 69.41 69.35 69.09 风险频率(%)21.0 20.0 19.5
39、19.0 18.5 18.0 15.0 设计洪水频率15%期望风险率(%)16.7 风险损失L106/元 0 误差修正后洪水径流深R+RP%/mm 190.1 177.9 171.2 168.2 164.2 161.0 146.5 设计洪水频率20%调洪最高水位Zm/m 69.65 69.41 69.28 69.22 69.15 69.10 68.86 水水 利利 学学 报报 2005 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 7 期 9风险频率(%)29.0 27.0 26.0 25.5 25.0 24.0 20.0 期望风险率(%)22.3 风险损失L106/元 0 误差修
40、正后洪水径流深R+RP%/mm 156.3 144.1 137.4 134.4 13.4 127.2 112.7 调洪最高水位Zm/m 69.04 68.84 68.74 68.70 68.6 68.59 68.40 风险频率(%)38.0 36.0 35.0 34.5 34.0 32.0 30.0 设计洪水频率30%期望风险率(%)31.3 风险损失L106/元 0 误差修正后洪水径流深R+RP%/mm 118.1 105.9 99.2 96.2 92.2 89.0 74.5 调洪最高水位Zm/m 68.51 68.36 68.28 68.25 68.20 68.17 67.80 风险频率(
41、%)59.0 57.0 56.0 55.5 55.0 54.0 50.0 设计洪水频率50%期望风险率(%)52.3 风险损失L106/元 0 )(1RiniRiRZPPP=(8)式中:n为所考虑的各种频率径流预报误差的数量；PRi为径流深绝对误差发生频率间距，即PRi=P(RRi)-P(RRi-1)且=niRiRiPP1)(;1为对应径流深绝对误差发生频率间距PRi，上的平均风险频率。从表6中第4行的数据可知其调洪最高水位均小于上、下游防洪高水位，故不增加水库的风险损失，即其风险损失为0。表6同时列出了其它频率的中小型洪水在考虑径流总量预报误差后的期望风险率和所增加的风险损失。虽然期望风险率
42、比不考虑径流预报误差的风险率有所增加，但并未增加水库的风险损失，所以其所增加的风险是可以承受的。按照考虑降雨预报的附加风险率定义，采用常规调度方式，分别计算考虑“无雨预报”和“小雨预报”误差的附加风险率，结果见表7、表8中PfP，均近似为0，即水库在实施防洪与补源优化调度过程中考虑“无雨预报”和“小雨预报”误差均不增加水库的防洪安全风险，亦不带来风险损失。表 7 碧 流 河 水 库 考 虑“无 雨 预 报”误 差 的 附 加 风 险 率 计 算 表 7 碧 流 河 水 库 考 虑“无 雨 预 报”误 差 的 附 加 风 险 率 计 算 漏报降雨量发生频率PP(Xxi)0.01 0.1 0.2
43、0.5 1 2 5 10 20 50 漏报降雨量绝对误差X(Pi)/mm 27 18 15 11 9 7 4 2 1 0 调洪最高水位Zm(ZL,X(Pi)/m 69.03 68.69 68.58684368.3668.2968.19 68.13 68.11 68.10平均出库流量/(m3/s)15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 Pzi(Zm70.2)(%)0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Pfp 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 水水 利利 学学 报报 2005 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 7 期 10表 8 碧 流 河 水
44、库 考 虑“小 雨 预 报”误 差 的 附 加 风 险 率 计 算 表 8 碧 流 河 水 库 考 虑“小 雨 预 报”误 差 的 附 加 风 险 率 计 算 漏报降雨量发生频率PP(XPi)0.01 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 漏报降雨量绝对误差X(Pi)/mm 90 62 54 44 37 29 20 14 8 3 调洪最高水位Zm(ZL,X(Pi)/m 69.38 69.33 69.3269.2669.2069.1068.77 68.54 68.32 68.16平均出库流量/(m3/s)690 300 200 100 50 15 15 15 15 15 Pzi(
45、Zm70.2)(%)0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Pfp 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 结语 利用水库汛期不能拦蓄的多余洪水对地下水库进行回灌补源，不仅能增加洪水资源利用率，而且能吸收减弱地表洪水量，减轻下游防洪负担，减少洪涝灾害，是实现水资源可持续利用的有效途径之一。本文以大连市碧流河水库为例，采用大伙房洪水预报模型，根据当前时刻的实时降雨情况，预报入库洪水，判断洪水等级；同时考虑未来24h“无雨预报”和“小雨预报”信息，将交互式生成技术与动态规划模型相结合，优化控制水库的泄流方案，对水库的防洪与补源进行优化调度。计算了优化调度所增加的引洪补源水量和相应的经济效益；并
46、给出考虑洪水预报和降雨预报误差的水库防洪与补源实时优化调度的风险率的定义，应用常规的频率分析法对风险率进行了分析与计算，结果表明对于常遇的中小洪水(小于上下游防洪标准)，采用引洪补源优化调度方式比常规调度方式更能增加引洪补源水量，提高洪水资源利用率，同时也不增加水库的风险损失。参考文献:参考文献:1 张有宏，李云杰，丁守森.水库防洪补源优化模式的探讨与实践J.水利水电技术，1994,(8):2-6.2 大连理工大学，国家防汛抗旱总指挥部办公室，等.水库防洪预报调度方法及应用M.北京:中国水利水电出版社，1996.3 李云杰，张有宏.引水补源边界流量及其确定J.山东工业大学学报，1994,24(
47、4):364-367.4 韩宇平，阮本清，解建仓，等.串联水库联合供水的风险分析J.水利学报，2003,(6):14-21.5 魏一鸣，金菊良，杨存建，等.洪水灾害风险管理理论M.北京:科学出版社，2002.6 汪新宇，张祥，赖国伟.防洪体系超标洪水综合风险分析J.水利学报，2004，(2):83-87.7 王本德，梁国华，程春田.防洪实时风险调度模型及应用J.水文，2000，20(6):4-8.Optimal dispatch of reservoir flood control combining with groundwater recharge and its risk analysi
48、s ZHENG De-feng,WANG Ben-de(Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)Abstract:The model for runoff generation and flow concentration in watershed is applied to calculate the flood flowing into the reservoir according to the short_term hydrological forecast information.An improved dynamic pr
49、ogramming model is used incorporated with interactive generating technology to establish the optimized joint operation of flood and groundwater recharge.The method for calculating the risk of optimized dispatch according to the error of flood forecast and meteorological forecast is proposed.As an ex
50、ample,the successful application of the proposed model and risk calculation method in the joint operation of flood control and groundwater recharge is presented.It shows that the recharged water quantity is less than and economic benefit is remarkably better than that by using other methods.水水 利利 学学